同济大学学报(自然科学版)杂志

同济大学学报(自然科学版)杂志2025年第10期

• 套筒焊钉连接件抗剪性能与受力机理研究

  吴飞，苏航，苏庆田，林志平，刘新华

  为了研究套筒焊钉连接件的抗剪性能，设计了8个焊钉推出试件，通过静力加载试验测试了套筒焊钉连接件的受力性能，比较了新型套筒焊钉和常规焊钉的抗剪性能差异。参照试验建立Abaqus非线性有限元模型，研究了套筒焊钉连接件的抗剪机理。试验结果表明：套筒焊钉连接件的总体抗剪性能与普通焊钉连接件的接近，与常规焊钉相比，套筒焊钉的极限承载力提升4 %~8 %，抗剪刚度提升25 %~35 %。有限元分析表明：套筒焊钉连接件的抗剪破坏过程与普通焊钉连接件的接近，但套筒焊钉连接件的破坏在焊钉根部的长度范围比普通焊钉的小，焊钉应力比普通焊钉的小；套筒焊钉连接件的混凝土破坏发生在套筒内部的混凝土中，套筒外部的混凝土没有破坏。试验和数值计算表明新型套筒焊钉连接件的力学性能略优于普通焊钉连接件的，在工程中按照普通焊钉连接件的计算方法进行设计计算是可行的。

• 新型上部纵筋外置预制叠合梁抗弯性能研究

  刘威，郭建华，段雄，郭小农，周森，杨芸

  目前在工厂中制作钢筋混凝土叠合梁时通常不会将上部纵筋直接绑扎到钢筋笼中，而是在施工现场将上部纵筋穿入钢筋笼再进行绑扎，这使得上部纵筋施工难度大、效率低。针对此问题，提出了一种将上部纵筋直接放置于箍筋上方进行绑扎的连接构造，并设计了有凹槽和无凹槽两种箍筋形式。对尺寸、混凝土标号和配筋完全相同的现浇梁、传统预制叠合梁和新型上部纵筋外置预制叠合梁进行了受弯加载试验，然后使用ABAQUS软件对试验进行了数值模拟，研究了新型绑扎方式对梁力学性能的影响。结果表明，新型预制叠合梁与传统预制叠合梁的承载能力相同，略低于现浇梁，说明所提出的上部纵筋绑扎方式安全可靠，在实际工程中具有一定的应用前景。

• 层间粘结废旧轮胎隔震垫水平力学性能设计值取值

  张广泰，陈锐，张军福，赵建新，盛瑞

  在已提出的废旧轮胎隔震垫基础上，在设计压应力P为3、 4、 5 MPa下开展了水平力学性能试验和有限元分析，对其水平等效刚度、屈服后刚度和等效阻尼比随设计压应力和第二形状系数变化的规律进行分析，并确定了三者的具体取值方法。水平力学性能试验结果表明：层间粘接废旧轮胎隔震垫的水平等效刚度和屈服后刚度随设计压应力和第二形状系数的增大而增大，二者存在下限值分别可确定为0.5 和0.37 kN·mm-1。同时，二者的取值呈现扇面分布的规律。等效阻尼比的变化与设计压应力和第二形状系数无明显关系，但其取值可确定为0.09~0.15之间。根据层间粘接废旧轮胎隔震垫的水平等效刚度和屈服后刚度的取值规律，通过ABAQUS建立层间粘接废旧轮胎隔震垫的有限元模型，建立了层间粘接废旧轮胎隔震垫水平等效刚度和屈服后刚度取值扇面的计算公式。

• 等幅循环荷载下钾长花岗岩疲劳损伤力学特性试验

  吕玺琳，张海，刘先林，米德才，薛大为

  为研究上限应力比对钾长花岗岩疲劳损伤力学特性的影响，开展了单轴压缩试验和4组不同上限应力比（0.75、0.80、0.85、0.90）下的等幅循环加卸载试验。基于试验数据，总结分析了钾长花岗岩应力?应变曲线、疲劳寿命、疲劳极限应变比及宏微观破坏特征演变规律。基于循环加卸载过程中的滞回曲线，计算了动模量、阻尼比、动泊松比及累积残余应变等重要参数。进一步地提出了平均残余应变法计算钾长花岗岩变形破坏过程中的损伤值。结果表明，试样存在一个扩容应力比，当上限应力比高于此值时，试样发生疲劳破坏。疲劳寿命随上限应力比增大而减小，且疲劳破坏时的轴向变形受到单轴静力应力?应变曲线演化的控制。试样宏观破坏程度随上限应力比增大而加剧，断口微观形貌随上限应力比增大而趋于复杂。疲劳破坏时的试样动模量和动泊松比呈现两阶段变化趋势，而阻尼比和残余应变呈现三阶段变化特征。通过平均残余应变法计算得到的试样疲劳损伤值与循环次数呈三阶段的“反S”型演化规律。最后，引入了低周疲劳损伤模型描述疲劳损伤规律，与试验结果对比表明，模型预测效果良好。

• 考虑降雨强度时间模式不确定性的边坡可靠度分析

  何正迎，黄雨

  提出了一种考虑降雨强度时间模式不确定性的边坡可靠度分析方法。基于偏度和峰度两参数生成系列反映降雨强度时间模式不确定性的降雨序列，作为边坡渗流?稳定性力学模型的输入，并结合蒙特卡洛模拟计算边坡可靠度。将其应用于浙江地区某概化边坡，评估了降雨强度时间模式对边坡失效概率及失效时间的影响。结果表明：在相同降雨总量和持时下，与后峰型高强度的降雨序列相比，前峰型且相对均匀的降雨序列导致更多的水入渗土体，降低土体强度，使边坡具有更高的失效概率与更短的失效时间，强调了在降雨滑坡灾害预警时需考虑降雨强度时间模式。

• 非水相有机液体作用下上海黏性土的结构演化及渗透性

  高彦斌，刘佳丹，李泳键，李韬，沈超

  非水相有机液体（NAPL）具有较低的介电常数，因而会对黏土颗粒的双电层结构及其物理力学特性产生影响。我国沿海全新世海侵饱和黏性土地层中已经发现了大量NAPL类污染案例。为了了解NAPL作用下这类饱和黏性土的结构演化及其对污染物迁移的影响，采用原状上海饱和黏性土（以伊利石为主）开展了三种NAPL（煤油、煤油?乙醇、三氯乙烯）的长期浸泡试验（超过1.8年），并与膨润土（以蒙脱石为主）的结果进行对比。试验结果表明，上海饱和黏性土的结构演化体现为絮凝及收缩开裂，但比膨润土弱得多，结构演化剧烈程度为煤油煤油?乙醇三氯乙烯。除了NAPL的介电常数有关，自由相NAPL的入渗速度及含量也是影响结构演化现象与程度的重要因素。在收缩（孔隙率减小）与絮凝（比表面减小）的综合作用下，上海黏性土的渗透系数增大在两倍以内。

• 高速公路匝道汇入场景识别与分析

  李林波，王一琦，李杨，罗文泽，吴兵

  目前关于高速公路入口匝道汇入行为的划分方法仅仅局限于单次单一交互的驾驶场景，而未考虑换道车辆与目标车道周围车辆时空位置的动态变化，即忽视了对双向多交互汇入场景的研究，这对于研究者把握真实的交通流特性，开发自动驾驶系统辅助换道算法带来了巨大挑战。为了揭示实际汇入过程中自然驾驶车辆间的动态交互行为，通过ExiD数据集与高精地图数据的结合进行自然驾驶汇入轨迹数据的提取，建立能充分考虑时空动态变化的汇入场景划分方法，并利用詹森?香农散度构建场景相似性量化模型与指标，以表征不同汇入场景的差异性与相似性。结果表明，在考虑目标车道周围车辆的时空动态分布后，将匝道汇入行为细分为8种具有显著差异性的场景，甚至包括具有较高风险的存在着并行车辆的场景（平均时距小于2 s），这对于解析高风险汇入场景以及设计出符合人类驾驶人交互特征的自动驾驶汇入策略具有重要的参考价值。

• 山区高速公路自动驾驶车道检测失效分析

  陈志贵，王雪松，孙雨宸

  自动驾驶车辆在山区高速公路行驶时需要感知不断变化的道路线形、路段特征以及环境等因素，并解析安全行驶边界。针对山区高速公路，测试了基于激光雷达的感知性能，分析了车道线感知失效的影响因素。研究采用同济大学车载全息信息采集系统，实车测试路段为贵州省贵都高速公路，全程多次往返测试累计3 200 km。基于CatBoost模型和沙普利加和解释（SHAP）方法解释了11个特征变量对感知失效的影响。研究结果表明，存在以下特征时会检测出更高概率的感知失效，例如下游曲率最大值越大、坡度变化率越大、出口和入口路段、路面有纵向和横向减速标线等地面标线、天气不良、自车行驶速度越大等。该研究的结果不仅可以为山区高速公路提供更适合自动驾驶安全运营的措施，更好地适应自动驾驶车辆，而且还能为制定自动驾驶的运行设计域提供参考。

• 基于驾驶模拟的长隧道交通安全设施组合设置方法及效用评估

  李佳，李观杰，赵晓华

  以长隧道内交通安全设施组合设置方法为研究对象，旨在确定最佳的设施组合形式和数量，从而提升隧道内的行车安全。研究选取6种常见但现行国标下未全部做出规定的交通安全设施，结合方案复杂度及空间位置组合形成6种方案。通过驾驶模拟实验，采用重复测量方差分析探究不同方案下驾驶行为指标的差异性，构建多指标模糊综合评估模型评价不同组合方案的效用。结果表明，适宜的交通安全设施组合可以提升长隧道内驾驶人操控稳定性，其中“道钉+立面标记+轮廓标+双条腰线”组合方案能提升驾驶人对隧道内空间路权的感知，而过多累加或在同一位置设置多种交通安全设施，并不能持续提高隧道行车安全。

• 基于调度集中控制进路分段解锁原理的高速铁路大型客运站通过能力

  高金科，滕靖，曲思源，陆柳洋

  车流结构的变化和车流量的攀升对高速铁路大型客运站车站通过能力利用分析和挖掘提出迫切需求。我国高速铁路车站基于调度集中控制（CTC）模式下采用进路分段解锁，相比传统的进路一次性解锁，对车站通过能力有进一步挖潜的可能。建立车站通过能力仿真模型，车站基础设施布局做为底层数据，列车运行图做为输入条件。模型基于CTC工作原理，分析了单列车在车站内的运行过程以及多列车之间的互相影响，用于确定列车在站内的相关时间参数；计算道岔、股道等行车设施通过能力利用率，识别限制能力的关键设施，通过仿真模型计算车站通过能力并输出结果。研究结果表明，相比于传统车站通过能力计算方法，计算机仿真方法能微观化地模拟进路分段解锁过程，精细化分析相关影响因素并计算车站通过能力，有助于从车站通过能力整体提升的角度支持形成设备改造、车站作业方案的优化建议。

• 基于路用性能的多源废旧胶粉品类判定

  樊英华，孙立军，杨建红，段丹军，张波

  为判定多源废旧胶粉对沥青改性的适用性，选取子午胎、尼龙胎、轿车胎、口皮、胶管和输送带等胶粉，对其成分组成、官能团分布、微观形貌和元素组成进行分析，对纯胶粉、胶粉?SBS复合改性沥青及其混合料性能进行深入研究。结果表明，轿车胎和尼龙胎胶粉与子午胎胶粉在微观结构与宏观性能方面均相近，是优良的沥青改性胶粉，而口皮、胶管和输送带胶粉不宜直接用于沥青改性，需进行复合改性。基于此，结合现有胶粉品类分级标准，提出基于路用性能的胶粉品类判定技术标准。

• 钢轨滚动接触疲劳裂纹形态参数的交流电磁场响应规律

  王驰，周宇，翁之意，李骏鹏

  为了探明交流电磁场检测中在钢轨表面形成的磁场响应与轨面滚动接触疲劳裂纹空间形态的关系，结合含滚动接触疲劳裂纹的钢轨现场观测和X射线断层扫描，确定了重载铁路不同通过总重下钢轨表面滚动接触疲劳裂纹的表面开口长度、内部倾角与椭圆比范围；建立钢轨裂纹交流电磁场仿真模型，分析不同裂纹形态参数的交流电磁场响应，并将电磁场响应拟合表达裂纹空间形态参数。结果表明：滚动接触疲劳裂纹的交流电磁场响应受裂纹各空间半椭圆参数综合影响并且可以通过函数模型进行描述，描述函数决定系数大于0.999 8，误差平方和小于1×10-4，均方误差小于1.4×10-3，函数模型计算结果与交流电磁场响应具有较好的一致性；整体上，交流电磁场响应特征受内部倾角影响较小，但随着内部倾角减小，影响逐渐增大；交流电磁场响应特征与裂纹表面开口长度近似呈线性变化规律，与椭圆比近似呈指数或高阶函数变化。

• 车下设备橡胶元件热氧老化对高速列车车体模态的影响

  孙维光，宫岛，周劲松，邓新，刘广宇

  通过加速老化试验和动态力学性能试验，分析橡胶动态力学性能参数的变化规律。引入形状系数，提出V型橡胶减振元件的三向动刚度计算方法，采用非线性最小二乘法对橡胶元件动力性能试验数据进行拟合，获得橡胶粘弹性本构模型参数。结合橡胶粘弹性本构模型，以橡胶减振元件的动刚度为老化指标，建立橡胶减振元件动刚度性能演变模型。建立高速列车车体及吊挂设备耦合有限元模型，吊挂设备与车体间连接刚度采用所建立的动刚度性能演变模型，探究外部环境温度、激励频率以及热氧老化对车体与车下设备振动模态的动态发展影响。结果表明：低阶模态频率随动刚度的增大，均会有不同程度的增大。其中对一阶低频垂弯和一阶高频垂弯的影响较为明显。当减振元件动刚度值增大时，一阶低频垂弯模态频率向无吊挂设备时一阶垂弯频率靠近，同时其对应的幅值增大；一阶高频垂弯模态频率向更高频方向移动，其所对应的幅值下降。研究结果可为高速列车橡胶隔振元件的工程应用提供参考。

• 基于损失比例的一类巨灾债券定价

  徐承龙，张繁红

  传统保险市场难以应对由于巨灾带来的巨额索赔，而保险公司可以通过发行巨灾债券，从而将部分巨灾风险转移至资本市场以达到分散索赔压力的目的。考虑一类按损失程度支付的巨灾债券定价问题，利用非齐次复合泊松分布作为巨灾累计损失分布，得到了票息支付过程和到期本金的支付比例，并且得到了风险中性下巨灾债券定价问题的表达式，最后对结果进行了数值模拟分析。结果表明预设的触发索赔门限值越高，触发概率越小，同时支付比例越小，但是巨灾债券贴现价值越大。